金屬材料與加工工藝課件

主編：許媛金屬材料與加工工藝第六章鋼的熱處理6.1熱處理的基本原則6.2鋼的退火與正火6.3鋼的淬火6.4鋼的回火6.5鋼的表面淬火6.6鋼的化學(xué)熱處理6.7熱處理的技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)工藝性鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。熱處理的目的是顯著提高鋼的力學(xué)性能，發(fā)揮鋼材的潛力，提高工件的使用性能和壽命。還可以作為消除毛坯（如鑄件、鍛件等）中缺陷，改善其工藝性能，為后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備。鋼的熱處理種類很多，根據(jù)加熱和冷卻方法不同，大致分類如下：熱處理普通熱處理表面熱處理表面淬火火焰加熱感應(yīng)加熱化學(xué)熱處理滲碳氮化碳氮共滲其它6.1熱處理基本原理6.1.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變在Fe-Fe3C相圖中，共析鋼加熱超過PSK線（A1）時(shí)，其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。亞共析鋼和過共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Acm）以上才能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。加熱(冷卻)時(shí)Fe-Fe3C相圖中各臨界點(diǎn)的位置1、奧氏體的形成2、奧氏體晶粒的長大及影響因素（1）奧氏體晶粒度（2）影響奧氏體晶粒度的因素珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程示意圖奧氏體晶粒長大傾向示意圖6.1.2鋼在在冷冷卻卻時(shí)時(shí)的的組組織織轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變冷卻卻過過程程是是熱熱處處理理的的關(guān)關(guān)鍵鍵工工序序，，它它決決定定著著鋼鋼熱熱處處理理后后的的組組織織與與性性能能。。在實(shí)實(shí)際際生生產(chǎn)產(chǎn)中中，，鋼鋼的的熱熱處處理理工工藝藝有有兩兩種種冷冷卻卻方方式式，，如如圖圖6-5所示示，，一一種種是是等等溫溫冷冷卻卻，，另另一一種種是是連連續(xù)續(xù)冷冷卻卻。。熱處處理理工工藝藝曲曲線線示示意意圖圖等溫溫冷冷卻卻：：將將加加熱熱到到奧奧氏氏體體的的鋼鋼迅迅速速冷冷卻卻到到臨臨界界溫溫度度以以下下的的某某一一溫溫度度保保溫溫，，進(jìn)進(jìn)行行等等溫溫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變，，然然后后再再冷冷到到室室溫溫，，如如等等溫溫退退火火、、等等溫溫淬淬火火等等。。連續(xù)續(xù)冷冷卻卻：：將將加加熱熱到到奧奧氏氏體體的的鋼鋼，，在在溫溫度度連連續(xù)續(xù)下下降降的的過過程程中中發(fā)發(fā)生生組組織織轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變，，如如水水冷冷、、空空冷冷、、爐爐冷冷等等。。1、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線2、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能6.1.3等溫溫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變曲曲線線在在連連續(xù)續(xù)冷冷卻卻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變中中的的應(yīng)應(yīng)用用將連連續(xù)續(xù)冷冷卻卻時(shí)時(shí)的的冷冷卻卻速速度度線線畫畫在在等等溫溫曲曲線線圖圖上上，，根根據(jù)據(jù)冷冷卻卻速速度度線線和和等等溫溫曲曲線線相相交交位位置置，，大大致致可可估估計(jì)計(jì)出出產(chǎn)產(chǎn)物物可可能能得得到到的的組組織織和和性性能能，，對對制制定定熱熱處處理理工工藝藝有有重重要要意意義義。。圖6-11為共共析析鋼鋼等等溫溫轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變曲曲線線圖圖，，參參照照此此圖圖能能估估計(jì)計(jì)連連續(xù)續(xù)冷冷卻卻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變的的情情況況。。6.2鋼的的退退火火與與正正火火常用用熱熱處處理理工工藝藝可可分分為為兩兩類類：：預(yù)預(yù)先先熱熱處處理理和和最最終終熱熱處處理理。。預(yù)預(yù)先先熱熱處處理理是是消消除除坯坯料料、、半半成成品品中中的的某某些些缺缺陷陷，，為為后后續(xù)續(xù)的的冷冷加加工工和和最最終終熱熱處處理理作作組組織織準(zhǔn)準(zhǔn)備備。。最最終終熱熱處處理理是是使使工工件件獲獲得得所所要要求求的的性性能能。。6.2.1鋼的退火火退火常分為完全退火球化退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火等溫退火均勻化退火碳鋼退火火與正火火加熱溫溫度與工工藝示意意圖6.2.2鋼的正火火將鋼材或或鋼件加加熱到Ac1或Accm以上30～50℃，保溫溫一定的的時(shí)間，，出爐后后在空氣氣中冷卻卻的熱處處理工藝藝稱為正正火。正火與退退火的主主要區(qū)別別是：正正火的冷冷卻速度度較快，，過冷度度較大，，因此正正火后所所獲得的的組織比比較細(xì)，，強(qiáng)度和和硬度比比退火高高一些。。正火是成成本較低低和生產(chǎn)產(chǎn)率較高高的熱處處理工藝藝。6.3鋼的淬火火淬火是將將鋼件加加熱到Ac3或Ac1以上（30～50）℃，保保溫一定定時(shí)間，，然后以以大于淬淬火臨界界冷卻速速度冷卻卻，獲得得馬氏體體或貝氏氏體組織織的熱處處理工藝藝。淬火的目目的是為為了得到到馬氏體體組織。。再經(jīng)回回火后，，使工件件獲得良良好的使使用性能能，以充充分發(fā)揮揮材料的的潛力。。6.3.1鋼的淬火火工藝1、淬火加加熱溫度度的選擇擇2、淬火冷冷卻介質(zhì)質(zhì)6.3.2淬火方法法淬火方法法的選擇擇，主要要以獲得得馬氏體體和減少少內(nèi)應(yīng)力力、減少少工件的的變形和和開裂為為依據(jù)。。常用的淬火方法1、單介質(zhì)淬火2、雙介質(zhì)淬火

3、馬氏體分級淬火4、貝氏體等溫淬火5、局部淬火6.3.3鋼的淬透透性1、淬透性的基本概念淬透性是鋼的固有屬性，它是選材和制定熱處理工藝的重要依據(jù)之一。淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同的條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。2、淬透性性的實(shí)際際意義鋼的淬透透性在生生產(chǎn)中有有重要的的實(shí)際意意義，工工件在整整體淬火火條件下下，從表表面至中中心是否否淬透，，對其機(jī)機(jī)械性能能有重要要影響。。在拉伸伸、壓縮縮、彎曲曲或剪切切應(yīng)力的的作用下下，工件件尺寸較較大的零零件，例例如齒輪輪類、軸軸類零件件，希望望整個截截面都能能被淬透透，從而而保證零零件在整整個截面面上的機(jī)機(jī)械性能能均勻一一致，此此時(shí)應(yīng)選選用淬透透性較高高的鋼種種制造。。影響淬透性的因素（1）含碳量（2）合金元素（3）奧氏體化溫度（4）鋼中未溶第二相淬透性不不同的鋼鋼調(diào)質(zhì)后后力學(xué)性性能的比比較6.4鋼的回火火將淬火鋼鋼重新加加熱到Acl點(diǎn)以下的的某一溫溫度，保保溫一定定時(shí)間后后冷卻到到室溫的的熱處理理工藝稱稱為回火火。一般般淬火件件必須經(jīng)經(jīng)過回火火才能使使用。6.4.1回火的目目的1、獲得工件所要求的力學(xué)性能。2、穩(wěn)定工件尺寸3、降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力6.4.2淬火鋼在在回火時(shí)時(shí)組織的的轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)淬火火后，獲獲得馬氏氏體與殘殘余奧氏氏體是亞亞穩(wěn)定相相。在回回火加熱熱、保溫溫中，都都會向穩(wěn)穩(wěn)定的鐵鐵素體和和滲碳體體（或碳碳化物））的兩相相組織轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變。根根據(jù)碳鋼鋼回火時(shí)時(shí)發(fā)生的的過程和和形成組組織，一一般回火火分為四四個轉(zhuǎn)變變。1、馬氏體體分解2、殘余奧奧氏體的的轉(zhuǎn)變3、碳化物物的轉(zhuǎn)變變4、滲碳體體的聚集集長大和和鐵素體體再結(jié)晶晶6.4.3回火種類類與應(yīng)用用根據(jù)對工工件力學(xué)學(xué)性能要要求不同同，按其其回火溫溫度范圍圍，可將將回火分分為三種種。低溫回火火中溫回火火高溫回火火鋼的硬度度隨回火火溫度的的變化中碳鋼力力學(xué)性能能與回火火溫度的的關(guān)系圖圖6.5鋼的表面面淬火表面淬火火是通過過快速加加熱使鋼鋼表層奧奧氏體化化，而不不等熱量量傳至中中心，立立即進(jìn)行行淬火冷冷卻，僅僅使表面面層獲得得硬而耐耐磨的馬馬氏體組組織，而而心部仍仍保持原原來塑性性、韌性性較好的的退火、、正火或或調(diào)質(zhì)狀狀態(tài)的組組織。表表面淬火火不改變變零件表表面化學(xué)學(xué)成分，，只是通通過表面面快速加加熱淬火火，改變變表面層層的組織織來達(dá)到到強(qiáng)化表表面的目目的。6.5.1感應(yīng)加熱熱表面淬淬火感應(yīng)加熱熱表面淬淬火是利利用感應(yīng)應(yīng)電流通通過工件件表面所所產(chǎn)生的的熱效應(yīng)應(yīng)，使表表面加熱熱并進(jìn)行行快速冷冷卻的淬淬火工藝藝。1、基本原原理2、感應(yīng)加加熱表面面熱處理理的特點(diǎn)點(diǎn)感應(yīng)加熱熱表面淬淬火示意意圖6.5.2火焰加熱熱表面淬淬火火焰加熱熱表面淬淬火是以以高溫火火焰作為為加熱源源的一種種表面淬淬火方法法。常用用火焰為為乙炔—氧火焰（（最高溫溫度為3200℃）或煤煤氣一氧氧火焰（（最高溫溫度為2400℃）。高高溫火焰焰將鋼件件表面迅迅速加熱熱到淬火火溫度，，隨即噴噴水快冷冷使表面面淬硬。。火焰加加熱表面面淬硬層層通常為為2～8mm。火焰加熱熱表面熱熱處理示示意圖6.5.3電接觸加加熱表面面淬火電接觸加加熱的原原理如圖圖6-20所示，當(dāng)當(dāng)工業(yè)電電流經(jīng)調(diào)調(diào)壓器降降壓后，，電流通通過壓緊緊在工件件表面的的滾輪與與工件形形成回路路，利用用滾輪與與工件之之間的高高接觸電電阻實(shí)現(xiàn)現(xiàn)快速加加熱，滾滾輪移去去后，由由于基體體金屬吸吸熱，表表面自激激冷淬火火。6.5.4激光加熱熱表面淬淬火激光加熱熱表面淬淬火是上上世紀(jì)70年代發(fā)展展起來的的一種新新型的高高能密度度的表面面強(qiáng)化方方法。這這種表面面淬火方方法是用用激光束束掃描工工件表面面，使工工件表面面迅速加加熱到鋼鋼的臨界界點(diǎn)以上上，而當(dāng)當(dāng)激光束束離開工工件表面面時(shí)，由由于基體體金屬的的大量吸吸熱，使使表面獲獲得急速速冷卻而而自淬火火，故無無需冷卻卻介質(zhì)。。6.6鋼的化學(xué)學(xué)熱處理理、化學(xué)熱處處理是將將金屬或或合金工工件置于于一定溫溫度的活活性介質(zhì)質(zhì)中加熱熱和保溫溫，使介介質(zhì)中一一種或幾幾種活性性原子滲滲入工件件表面，，以改變變表面層層的化學(xué)學(xué)成分和和組織，，使表面面層具有有不同于于心部性性能的一一種熱處處理工藝藝。6.6.1鋼的滲碳碳將鋼件在在滲碳介介質(zhì)中加加熱并保保溫使碳碳原于滲滲入表層層的化學(xué)學(xué)熱處理理工藝，，稱為滲碳。滲碳的的目的是是提高工工件表面面的硬度度和耐磨磨性，同同時(shí)保持持心部的的良好韌韌性。1、滲碳方方法滲碳方法法有氣體滲碳碳固體滲碳碳液體滲碳碳2、滲碳后后的組織織氣體滲碳碳裝置示示意圖6.6.2鋼的氮化化氮化是在在一定溫溫度（一一般在Ac1以下），，使活性性氮原子子滲入工工件表面面的化學(xué)學(xué)熱處理理工藝，，也稱滲滲氮。氮氮化的目目的是提提高工件件表面的的硬度、、耐磨性性、疲勞勞強(qiáng)度及及耐蝕性性。氮化廣泛泛應(yīng)用于于耐磨性性和精度度均要求求很高的的零件，，如鏜床床主軸、、精密傳傳動齒輪輪；在循循環(huán)載荷荷下要求求高疲勞勞強(qiáng)度的的零件，，如高速速柴油機(jī)機(jī)曲軸；；以及要要求變形形很小和和具有一一定抗熱熱、耐蝕蝕能力的的耐磨件件，如閥閥門、發(fā)發(fā)動機(jī)氣氣缸以及及熱作模模具等。。1、氣體氮化2、離子氮化6.6.3鋼的碳氮氮共滲與與氮碳共共滲1、氣體碳碳氮共滲滲2、氣體氮氮碳共滲滲（軟氮氮化）6.7熱處理的的技術(shù)條條件和結(jié)結(jié)構(gòu)工藝藝性6.7.1熱處理技技術(shù)條件件的標(biāo)注注熱處理零零件在圖圖紙上應(yīng)應(yīng)注明熱熱處理的的技術(shù)條條件，其其內(nèi)容包包括最終終熱處理理方法及及熱處理理應(yīng)達(dá)到到的力學(xué)學(xué)性能指指標(biāo)等。。標(biāo)定的的硬度值值允許有有一個波波動范圍圍，一般般布氏硬硬度波動動范圍在在30~40個單位，，洛氏硬硬度波動動范圍在在5個單位左左右。6.7.2熱處理零零件的結(jié)結(jié)構(gòu)工藝藝性熱處理零零件的結(jié)結(jié)構(gòu)工藝藝性，是是指在設(shè)設(shè)計(jì)熱處處理零件件，特別別是淬火火件時(shí)，，一方面面要滿足足熱處理理零件的的使用性性能要求求，另一一方面應(yīng)應(yīng)考慮熱熱處理工工藝對零零件結(jié)構(gòu)構(gòu)的要求求，不然然會使熱熱處理操操作困難難、增加加淬火變變形、開開裂，使使零件報(bào)報(bào)廢。因因此設(shè)計(jì)計(jì)人員需需考慮熱熱處理零零件的結(jié)結(jié)構(gòu)工藝藝性，盡盡量考慮慮以下原原則：1、避免尖尖角2、避免厚厚薄懸殊殊的截面面3、采用封封閉、對對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)4、采用組組合結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)習(xí)1.熱處理的的目的是是什么？？有哪些些基本類類型？2.氮化處理理與滲碳碳處理相相比有哪哪些特點(diǎn)點(diǎn)。3.什么叫退退火？其其主要目目的是什什么？4.完全退火火、球化化退火與與去應(yīng)力力退火在在加熱規(guī)規(guī)范、組組織轉(zhuǎn)變變和應(yīng)用用上有何何不同？？5.什么叫淬淬火？其其主要目目的是什什么？6.淬火鋼采采用低溫溫或高溫溫回火各各獲得什什么組織織？其主主要應(yīng)用用在什么么場合？？9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。21:57:0021:57:0021:5712/28/20229:57:00PM11、以以我我獨(dú)獨(dú)沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2221:57:0021:57Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。21:57:0021:57:0021:57Wednesday,December28,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2221:57:0021:57:00December28,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。28十十二月20229:57:00下午午21:57:0012月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:57下下午午12月月-2221:57December28,202216、行動出成果果，工作出財(cái)財(cái)富。。2022/12/2821:57:0021:57:0028December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時(shí)時(shí)，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點(diǎn)的的射線線向前前。。。9:57:00下下午9:57下下午午21:57:0012月月-229、沒有失敗敗，只有暫暫時(shí)停止成成功！。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。21:57:0021:57:0021:5712/28/20229:57:00PM11、成功就是日日復(fù)一日那一一點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積累。。。12月-2221:57:0021:57Dec-2228-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。21:57:0021:57:0021:57Wednesday,December28,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2221:57:0021:57:00December28,202214、意意志志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。28十十二二月月20229:57:00下下午午21:57:0012月月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月229:57下午午12月-2221:57December28,202216、少年年十五五二十十時(shí)，，步行行奪得得胡馬馬騎。。。2022/12/2821:57:0021:57:0028December202217、空山新雨雨后，天氣氣晚來秋。。。9:57:00下下午9:57下下午21:57:0012月-229、楊柳散和風(fēng)風(fēng)，青山澹吾吾慮。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱讀一切好好書如同和過過去最杰出的的人